JP4485953B2

JP4485953B2 - Semiconductor device for emitting radiation and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP4485953B2
Application number: JP2004549467A
Authority: JP
Inventors: ピエール、ハー．ブールレー; ヘルト、ウェー．テー．ホーフト; イスク、ホルレマン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: WO2004042831A3; JP2006505934A; US7232734B2; KR20050074536A; EP1563548A2; TW200417045A; TWI325183B; AU2003274534A1; WO2004042831A2; US20060043381A1

Description

本発明は、シリコンを含む半導体本体と基板とを備える、放射線を放出する半導体装置であって、半導体本体が絶縁層上に配置された横方向の半導体ダイオードを有し、絶縁層が横方向の半導体ダイオードを基板から分離し、前記横方向の半導体ダイオードが、第１のドーピング濃度を有する第１の導電型の第１の半導体領域と、第１のドーピング濃度よりも低い第２のドーピング濃度を有する第１の導電型または第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体領域と、第２のドーピング濃度よりも高い第３のドーピング濃度を有する第２の導電型の第３の半導体領域とを連続的に備え、前記第１および第３の半導体領域にはそれぞれ接続領域が設けられ、動作中、前記第１および第３の半導体領域から前記第２の半導体領域中に注入される荷電粒子の再結合により第２の半導体領域で放射線が生成される、放射線を放出する半導体装置に関する。かかる装置は、ダイオードが順方向で動作する間に有効量の放射線が放出されるということが最近まで知られていなかったものであり、ＧａＡｓやＺｎＳｅ等の直接半導体材料を含む放射線を放出する装置にとっての、魅力的な代替の装置である。 The present invention is a semiconductor device that emits radiation, comprising a semiconductor body containing silicon and a substrate, the semiconductor body having a lateral semiconductor diode disposed on an insulating layer, wherein the insulating layer is in the lateral direction A semiconductor diode is separated from the substrate, and the lateral semiconductor diode has a first semiconductor region of a first conductivity type having a first doping concentration and a second doping concentration lower than the first doping concentration. A second semiconductor region having a first conductivity type or a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and a second conductivity type having a third doping concentration higher than the second doping concentration. Three semiconductor regions, and each of the first and third semiconductor regions is provided with a connection region, and during operation, the first and third semiconductor regions into the second semiconductor region. Injected That the radiation in the second semiconductor region is generated by recombination of charged particles, to a semiconductor device that emits radiation. Such an apparatus has not been known until recently that an effective amount of radiation is emitted while the diode operates in the forward direction, and emits radiation containing direct semiconductor materials such as GaAs and ZnSe. Is an attractive alternative to

また、本発明は、そのような装置を製造する方法に関する。 The invention also relates to a method of manufacturing such a device.

米国特許明細書5,438,210号は、冒頭で説明した種類の装置を開示している。周知の放射線を放出する半導体装置は、絶縁層で覆われたシリコン基板を備え、絶縁層上には半導体ダイオードが存在し、半導体ダイオードは２μｍ厚のシリコン膜中に形成されている。ダイオードは、ｐ＋型の第１の半導体領域と、ｎ型またはｐ型の第２の半導体領域と、ｎ型の第３の半導体領域とを連続的に備える。装置の動作中、ダイオードはシリコンＬＥＤ（＝発光ダイオード）としての機能を果たす。かかる装置はＬＥＤに対して位置合わせされ、放出された放射線を検出する検出器としての機能を果たす、更なるダイオードを備える。したがって、かかる装置は、２つの電子回路間にガルバニックの分離を形成するために使用できる、いわゆる“オプトカプラ”を形成する。 U.S. Pat. No. 5,438,210 discloses a device of the kind described at the outset. A known semiconductor device that emits radiation includes a silicon substrate covered with an insulating layer. A semiconductor diode is present on the insulating layer, and the semiconductor diode is formed in a silicon film having a thickness of 2 μm. The diode continuously includes a p + type first semiconductor region, an n type or p type second semiconductor region, and an n type third semiconductor region. During the operation of the device, the diode functions as a silicon LED (= light emitting diode). Such a device comprises a further diode that is aligned with the LED and serves as a detector for detecting emitted radiation. Such a device thus forms a so-called “optocoupler” that can be used to form a galvanic separation between two electronic circuits.

周知の装置の欠点は、前述したＧａＡｓやＺｎＳｅ等の半導体材料または直接的な帯域移行を伴う材料を含む、他のいわゆるIII−ＶまたはII−VI材料と比べて比較的少量の放射線しか放出しないという点である。シリコン等の材料では帯域移行が間接的であり、その結果、放射線の出力が比較的小さい。 The disadvantages of known devices are that they emit a relatively small amount of radiation compared to other so-called III-V or II-VI materials, including semiconductor materials such as GaAs and ZnSe described above or materials with direct band transitions. That is the point. In materials such as silicon, the band shift is indirect, and as a result, the radiation output is relatively small.

本発明の目的は、冒頭の段落で言及した種類の装置であって、その光出力が高められ、製造が容易な装置を提供することである。 The object of the present invention is to provide an apparatus of the kind mentioned in the opening paragraph, whose light output is increased and which is easy to manufacture.

上記の目的を達成するため、本発明において、冒頭で言及した種類の放射線を放出する装置は、第２の半導体領域が更なる部分によって取り囲まれる中央部分を備え、更なる領域のバンドギャップが中央領域のバンドギャップよりも大きいことを特徴としている。本発明は、主に、シリコン等の半導体材料では、比較的長い時間τが経過した後に正孔および電子の放射再結合が起こるため、放射線の放出が限られてしまうという認識に基づいている。前記時間τは、４０μｓｅｃ程度である。荷電粒子の拡散係数Ｄ（＝μｋＴ／Ｑ（μは移動性、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｑは単位電荷の大きさ））が１０ｃｍ^２／秒程度であるため、荷電粒子の拡散行程長Ｌ（＝√（Ｄ×τ））は約２００μｍである。これは、ＧａＡｓ等の直接半導体材料における放射線生成再結合の拡散距離よりも十分に長い。以上は、シリコン中の正孔対がいわば比較的長い距離（Ｌ）の範囲内でシリコン中に存在する非放射再結合中心を捜しに行くことができることを意味している。したがって、そのような中心部の比較的低い濃度、例えば１０^１３ｃｍ^−３において、非放射再結合は、一般に放射再結合よりも前に起こる。また、本発明は、半導体材料中にバリアを形成することにより荷電粒子の運動の自由度が制限される可能性があり、それによって、荷電粒子がいわば閉じ込められるようになるという認識に基づいている。半導体材料の大きなバンドギャップは、電子および正孔における有効なバリアを構成する。これは、例えば中心部分でゲルマニウムをシリコンに対して加えて中心部分のバンドギャプを減らし、その結果、周囲の部分のバンドギャップを中心部分に対して増大させることにより達成可能である。周囲の部分でシリコンに対してカーボンを加え、その結果、シリコンのバンドギャップを増大させることにより、匹敵する結果を得ることができる。 In order to achieve the above object, in the present invention, an apparatus for emitting radiation of the type mentioned at the outset comprises a central part in which the second semiconductor region is surrounded by a further part, the band gap of the further area being central. It is characterized by being larger than the band gap of the region. The present invention is mainly based on the recognition that, in a semiconductor material such as silicon, radiation recombination of holes and electrons occurs after a relatively long time τ elapses, so that radiation emission is limited. The time τ is about 40 μsec. Charged particle diffusion coefficient D (= μkT / Q (μ is mobility, k is Boltzmann constant, T is absolute temperature, Q is unit charge)) is about 10 cm ² / sec. The stroke length L (= √ (D × τ)) is about 200 μm. This is sufficiently longer than the diffusion distance of radiation-generated recombination in direct semiconductor materials such as GaAs. The above means that hole pairs in silicon can be searched for non-radiative recombination centers existing in silicon within a relatively long distance (L). Thus, at a relatively low concentration of such centers, for example 10 ¹³ cm ⁻³ , non-radiative recombination generally occurs before radiative recombination. The present invention is also based on the recognition that the formation of a barrier in a semiconductor material may limit the degree of freedom of movement of charged particles, so that charged particles become confined. . The large band gap of semiconductor materials constitutes an effective barrier for electrons and holes. This can be achieved, for example, by adding germanium to the silicon at the central portion to reduce the central portion's band gap and consequently increasing the band gap of the surrounding portion relative to the central portion. Comparable results can be obtained by adding carbon to the silicon in the surrounding area, thereby increasing the silicon band gap.

本発明に係る、放射線を放出する半導体装置の好ましい実施形態においては、前記更なる部分の厚みが薄いために更なる部分で量子効果が生じ、前記中央部分の厚みが大きいために前記量子効果が実質的に生じないが高効率にとってなお十分に小さいという点で、更なる部分のバンドギャップが中心部分に対して増大する。この場合、装置のほぼ全てをシリコンによって形成できることから、非常に簡単に装置を製造することができ、また、半導体本体の厚みを様々な方法で簡単に局部的に薄く生成できるため、この改良は特に魅力的である。例えば、量子効果が生じるシリコンから成る薄層は、ローカルエピタキシによって局部的に厚く形成することができる。また、量子効果が生じないシリコンから成る薄層は、エッチングによって局部的に薄く形成することができる。 In a preferred embodiment of the semiconductor device that emits radiation according to the present invention, the quantum effect is generated in the further portion because the thickness of the further portion is thin, and the quantum effect is generated because the thickness of the central portion is large. The band gap of the further part increases with respect to the central part in that it does not substantially occur but is still small enough for high efficiency. In this case, since almost all of the device can be formed of silicon, the device can be manufactured very easily, and the thickness of the semiconductor body can be easily and locally generated by various methods. Especially attractive. For example, a thin layer of silicon that produces quantum effects can be locally thickened by local epitaxy. In addition, a thin layer made of silicon that does not produce a quantum effect can be locally thinned by etching.

特に好ましい改良において、形成される更なる部分の部位における半導体本体の厚みは、半導体本体の局部酸化によって減少する。このことは様々な利点を有する。例えば、前記プロセスの結果、シリコンの適切に皮膜で保護された表面が得られるため、この表面における荷電粒子の非放射再結合が不可能になるか、或いは少なくとも制限される。また、このようにすれば、量子効果が生じるような厚みを有するシリコン領域を非常に簡単で正確な方法で得ることができる。結果として生じたシリコン領域がそのような厚みに達する程度までシリコン層が酸化される場合、酸化の（更なる）割合は比較的低い。このことは、かかる特に薄いシリコン層を得るためのプロセスの精度および再現性に寄与する。 In a particularly preferred refinement, the thickness of the semiconductor body at the part of the further part formed is reduced by local oxidation of the semiconductor body. This has various advantages. For example, the process results in a properly film-protected surface of silicon, which makes non-radiative recombination of charged particles at this surface impossible or at least limited. In this way, it is possible to obtain a silicon region having such a thickness that a quantum effect is generated by a very simple and accurate method. If the silicon layer is oxidized to such an extent that the resulting silicon region reaches such a thickness, the (further) rate of oxidation is relatively low. This contributes to the accuracy and reproducibility of the process for obtaining such a particularly thin silicon layer.

更なる実施形態において、形成される中央部分の部位における半導体本体の厚みは、更なる局部酸化によって減少する。この改良により、ダイオードが形成されるシリコン半導体本体の開始厚は比較的厚くなる可能性があり、例えば２００ｎｍである。中央部分における望ましい厚みは、例えば、好ましくは１０ｎｍを超えない厚みを有する更なる部分の少なくとも２倍である。半導体本体のかかる厚みにより、一般的なＳＯＩ（＝シリコンオンインシュレータ）材料を使用できる。また、電気的な接続を形成し且つ半導体本体中に更なる電子素子および半導体素子の少なくとも一方を形成する可能性が高まる。しかし、更なる部分の厚みと等しい厚みを有する十分に薄い半導体本体を使用することもできる。後者の場合には、選択（ローカル）エピタキシによって中央部分を形成することができる。 In a further embodiment, the thickness of the semiconductor body at the portion of the central portion that is formed is reduced by further local oxidation. With this improvement, the starting thickness of the silicon semiconductor body in which the diode is formed can be relatively thick, for example 200 nm. The desired thickness in the central part is for example at least twice that of the further part, preferably having a thickness not exceeding 10 nm. Depending on the thickness of the semiconductor body, a general SOI (= silicon on insulator) material can be used. It also increases the possibility of forming electrical connections and forming at least one of additional electronic elements and semiconductor elements in the semiconductor body. However, it is also possible to use a sufficiently thin semiconductor body having a thickness equal to that of the further part. In the latter case, the central part can be formed by selective (local) epitaxy.

有意な実施形態において、適当な原子のイオン注入によって、中央部分の他の領域に対してバンドギャップが増大する複数の部分領域が、中央部分に設けられる。それらの領域は、例えばシリコン、ゲルマニウム、または酸素原子によって形成することができる。 In a significant embodiment, a plurality of partial regions are provided in the central portion that have an increased band gap relative to other regions of the central portion by ion implantation of appropriate atoms. These regions can be formed by, for example, silicon, germanium, or oxygen atoms.

有意な更なる改良においては、基板がシリコンによって形成される。それにより、装置は、ＳＯＩを使用する一般的なＩＣ（＝集積回路）技術に対して十分に適合する。例えばシリコン基板が使用されてもよく、その場合、酸素イオンの注入によって、絶縁層としての機能を果たす二酸化珪素から成る埋込絶縁層が形成されるとともに、埋込絶縁層の上側に配置される基板の部分によって半導体本体が形成される。しかし、いわゆる“スマートカット”技術により、半導体本体を有意に形成することができる。 In a significant further improvement, the substrate is made of silicon. Thereby, the device is well suited for general IC (= integrated circuit) technology using SOI. For example, a silicon substrate may be used. In this case, an embedded insulating layer made of silicon dioxide that functions as an insulating layer is formed by implantation of oxygen ions, and is disposed on the upper side of the embedded insulating layer. A semiconductor body is formed by the portion of the substrate. However, the so-called “smart cut” technology can significantly form the semiconductor body.

シリコンを含む半導体本体を有する絶縁層が基板上に存在し、前記半導体本体中に横方向の半導体ダイオードが形成されるとともに、前記半導体ダイオードが、第１のドーピング濃度を有する第１の導電型の第１の半導体領域と、第１のドーピング濃度よりも低い第２のドーピング濃度を有する第１の導電型または第１の導電型と反対の第２の導電型の第２の半導体領域と、第２のドーピング濃度よりも高い第３のドーピング濃度を有する第２の導電型の第３の半導体領域とを連続的に備え、前記第１および第３の半導体領域にはそれぞれ接続領域が設けられ、動作中、前記第１および第３の半導体領域から前記第２の半導体領域中に注入される荷電粒子の再結合により第２の半導体領域で放射線が生成される、放射線を放出する半導体装置の製造方法において、前記第２の半導体領域には更なる部分によって取り囲まれる中央部分が設けられ、前記更なる部分のバンドギャップが前記中央部分のバンドギャップに対して増大することを特徴とする方法が提供される。この方法によって、本発明による装置を得ることができる。 An insulating layer having a semiconductor body including silicon is present on the substrate, a lateral semiconductor diode is formed in the semiconductor body, and the semiconductor diode has a first conductivity type having a first doping concentration. A first semiconductor region and a second semiconductor region of a first conductivity type having a second doping concentration lower than the first doping concentration or a second conductivity type opposite to the first conductivity type; A third semiconductor region of a second conductivity type having a third doping concentration higher than the doping concentration of 2, and a connection region is provided in each of the first and third semiconductor regions, A semiconductor device that emits radiation, wherein radiation is generated in the second semiconductor region by recombination of charged particles injected from the first and third semiconductor regions into the second semiconductor region during operation In the manufacturing method, the second semiconductor region is provided with a central portion surrounded by a further portion, and the band gap of the further portion is increased with respect to the band gap of the central portion. Provided. By this method, the device according to the invention can be obtained.

更なる部分のバンドギャップは、量子効果が厚み方向で生じるような小さな厚みを更なる部分に与えることにより増大し、中央部分の厚みは、これらの量子効果が実質的に生じない大きい厚みとなるように選択されることが好ましい。かかる方法は比較的簡単であるため、魅力的である。有意な改良において、半導体本体の厚みは、形成される更なる部分の部位において、半導体本体の局部酸化によって減少する。この方法は一般的なＩＣ技術に対して十分に適合される。半導体本体の厚みは、形成される中央部分の部位において、更なる局部酸化によって減少することが好ましい。そのため、比較的厚い半導体本体を使用してシリコンＬＥＤを形成することができる。 The band gap of the further portion is increased by giving the additional portion a small thickness such that the quantum effect occurs in the thickness direction, and the thickness of the central portion is large enough that these quantum effects do not substantially occur. It is preferable to be selected as follows. Such a method is attractive because it is relatively simple. In a significant improvement, the thickness of the semiconductor body is reduced by local oxidation of the semiconductor body at the site of the further part that is formed. This method is well adapted to general IC technology. The thickness of the semiconductor body is preferably reduced by further local oxidation at the central part formed. Therefore, a silicon LED can be formed using a relatively thick semiconductor body.

本発明に係る方法の更なる実施形態においては、基板のための材料としてシリコンが選択される。特に魅力的な改良は、更なる部分および中央部分の第１の部分が連続な層として形成され、中央部分の前記第１の部分上に位置された第２の部分が選択エピタキシによって形成される場合に得られる。 In a further embodiment of the method according to the invention, silicon is selected as the material for the substrate. A particularly attractive improvement is that the further part and the first part of the central part are formed as a continuous layer, and the second part located on said first part of the central part is formed by selective epitaxy. Obtained in case.

別の実施形態においては、イオン注入によって適切な原子が中央部分内に導入され、その結果、中央部分のバンドギャップが中央部分の他の部位に対して局部的に増大する。これにより、放射線の出力を更に高めることができる。注入される原子としてシリコンまたは酸素原子が選択されることが好ましい。 In another embodiment, appropriate atoms are introduced into the central portion by ion implantation, so that the band gap of the central portion increases locally relative to other parts of the central portion. Thereby, the output of radiation can be further increased. Preferably, silicon or oxygen atoms are selected as the implanted atoms.

以下に記載の実施形態を参照しつつ、上記の本発明の態様および他の態様について説明する。 The above-described aspects of the present invention and other aspects will be described with reference to the embodiments described below.

図面は、実物通りの縮尺や寸法では描かれておらず、特に厚み方向の寸法は、明確さを期すために誇張して描かれている。異なる図面における相当する領域および部分には、可能な限り同一の参照符号および網掛け線を付してある。 The drawings are not drawn to scale and dimensions as they are, and in particular the dimensions in the thickness direction are exaggerated for the sake of clarity. Corresponding regions and parts in the different drawings are given the same reference signs and shaded lines as much as possible.

図１は、本発明に係る放射線を放出する半導体装置の厚み方向に対して直角な概略断面図である。装置１０は、シリコン半導体本体１と基板２とを備えている。基板２も、この場合はシリコンによって形成されている。シリコン半導体本体１は、ここでは二酸化珪素から成る絶縁層７によって基板２から分離しており、横方向の半導体ダイオードを収容している。この半導体ダイオードは、約１０^２０ａｔ／ｃｍ^３のドーピング濃度を有するここではｎ導電型の第１の半導体領域３と、１０^１７ａｔ／ｃｍ^３のドーピング濃度を有するここではｎ導電型の第２の半導体領域４と、約１０^２０ａｔ／ｃｍ^３のドーピング濃度を有するここではｐ導電型の第３の半導体領域５とを有している。第１および第３の半導体領域３，５は二酸化珪素から成る更なる絶縁層３１で覆われている。絶縁層３１は、開口を有しており、この開口において前記領域３，５にはそれぞれ対応する接続導体６，８が設けられている。接続導体６，８は、この場合、アルミニウムまたは銅から成る。ダイオードの両側には、二酸化珪素から成る絶縁領域２２が存在する。ダイオードが順方向で動作する場合、前記ダイオードは、第１の半導体領域３から第２の半導体領域４内へと注入される電子の一部が第３の半導体領域５から第２の半導体領域４内へと注入される正孔の一部と再結合することにより、シリコンのバンドギャップに対応する約１１００（±１００）ｎｍの波長を有する放射線Ｓを放出するため、ＬＥＤとしての機能を果たす。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of a semiconductor device that emits radiation according to the present invention. The apparatus 10 includes a silicon semiconductor body 1 and a substrate 2. The substrate 2 is also made of silicon in this case. The silicon semiconductor body 1 is here separated from the substrate 2 by an insulating layer 7 made of silicon dioxide and contains a lateral semiconductor diode. This semiconductor diode has a first semiconductor region 3 here of n conductivity type with a doping concentration of about 10 ²⁰ at / cm ³ and a second semiconductor layer of n conductivity type here with a doping concentration of 10 ¹⁷ at / cm ³ . Semiconductor region 4 and a p-conductivity-type third semiconductor region 5 having a doping concentration of about 10 ²⁰ at / cm ³ . The first and third semiconductor regions 3, 5 are covered with a further insulating layer 31 made of silicon dioxide. The insulating layer 31 has an opening, and corresponding connection conductors 6 and 8 are provided in the regions 3 and 5 in the opening, respectively. In this case, the connecting conductors 6 and 8 are made of aluminum or copper. On both sides of the diode, there are insulating regions 22 made of silicon dioxide. When the diode operates in the forward direction, in the diode, a part of electrons injected from the first semiconductor region 3 into the second semiconductor region 4 is transferred from the third semiconductor region 5 to the second semiconductor region 4. By recombining with some of the holes injected into it, it emits radiation S having a wavelength of about 1100 (± 100) nm corresponding to the band gap of silicon, thus functioning as an LED.

本発明において、第２の半導体領域４は、中央部分４Ａと、中央部分４Ａを取り囲み且つ中央部分４Ａよりも大きなバンドギャップを有する更なる部分４Ｂとを含む。その結果、シリコン中の荷電粒子の自由行程長が制限され、それにより、かなりの時間が経ってから荷電粒子が放射再結合を始めるにもかかわらず、荷電粒子は、非放射再結合が起こり得る中心には全く到達できないか、または少なくとも殆ど到達できない。したがって、本発明に係る装置１０の放射線の出力は、周知の装置の放射線の出力と比較して増大する。この実施例においては、量子効果が生じ得るような小さな厚みを更なる部分４Ｂの部位に与えることにより、更なる部分４Ｂのバンドギャップが中央部分４Ａに対して高められる。これは、約１００ｎｍ未満の厚みで生じる。この実施例において、更なる部分４Ｂの厚みは約５ｎｍであり、一方、中央部分４Ａの厚みは約１００ｎｍである。これにより、更なる部分４Ｂのバンドギャップが、中央部分４Ａのバンドギャップよりも約３０ｍｅＶ大きくなる。 In the present invention, the second semiconductor region 4 includes a central portion 4A and a further portion 4B that surrounds the central portion 4A and has a larger band gap than the central portion 4A. As a result, the free path length of charged particles in silicon is limited so that charged particles can undergo non-radiative recombination even though the charged particles begin radiative recombination after a significant amount of time. The center cannot be reached at all, or at least hardly. Thus, the radiation output of the device 10 according to the present invention is increased compared to the radiation output of known devices. In this embodiment, the band gap of the further portion 4B is increased with respect to the central portion 4A by giving the portion of the further portion 4B a small thickness that can cause a quantum effect. This occurs with a thickness of less than about 100 nm. In this embodiment, the thickness of the further portion 4B is about 5 nm, while the thickness of the central portion 4A is about 100 nm. Thereby, the band gap of the further part 4B becomes larger by about 30 meV than the band gap of the center part 4A.

図２は、本実施例で示した装置１０の半導体本体１におけるバンドギャップの変化を示す。この図は、中央部分４Ａの両側の包絡線部分４Ｂで、伝導帯１０１および価電子帯１０２のそれぞれに荷電粒子のためのバリアが形成されている状態を示している。図１に示す半導体領域４の中央部分４Ａ内において、荷電粒子１１１，１１２は、放射線Ｓを放出しつつ直ぐに再結合することができる。 FIG. 2 shows a change in the band gap in the semiconductor body 1 of the device 10 shown in this embodiment. This figure shows a state where a barrier for charged particles is formed in each of the conduction band 101 and the valence band 102 in the envelope part 4B on both sides of the central part 4A. In the central portion 4A of the semiconductor region 4 shown in FIG. 1, the charged particles 111 and 112 can immediately recombine while emitting the radiation S.

この実施例における様々な領域の寸法は、以下の通りである。中央部分４Ａは、２００ｎｍ〜１μｍの範囲の横寸法を有しており、この実施例においてその寸法は５００ｎｍである。半導体本体１の開始厚を、この実施例では更なる部分４Ｂの部位で約２００ｎｍから約１０ｎｍまで減少させる局部酸化領域２０の幅は、約０．１μｍの大きさである。シリコンから成る半導体本体１の開始厚を、この実施例では中央部分４Ａの部位で２００ｎｍから１００ｎｍまで減少させ、更なる部分４Ｂの部位で約１０ｎｍから約５ｎｍまで減少させる更なる局部酸化領域２１の寸法は、第２の半導体領域４の中央部分４Ａの前述した寸法にほぼ対応している。第１および第３の半導体領域３，５の横寸法は約１μｍであり、一方、その厚みは半導体本体１の開始厚、すなわち２００ｎｍに対応している。 The dimensions of the various regions in this example are as follows. The central portion 4A has a lateral dimension in the range of 200 nm to 1 μm, and in this example the dimension is 500 nm. The width of the local oxidation region 20 that reduces the starting thickness of the semiconductor body 1 from about 200 nm to about 10 nm at the further portion 4B in this embodiment is about 0.1 μm. In this embodiment, the starting thickness of the semiconductor body 1 made of silicon is reduced from 200 nm to 100 nm at the central portion 4A and from about 10 nm to about 5 nm at the further portion 4B. The dimensions substantially correspond to the aforementioned dimensions of the central portion 4A of the second semiconductor region 4. The lateral dimension of the first and third semiconductor regions 3 and 5 is about 1 μm, while its thickness corresponds to the starting thickness of the semiconductor body 1, ie 200 nm.

この実施例において、中央部分４Ａは横方向で対称である。レーザ作用を得るため、中央部分４Ａは、長手方向の寸法が、幅方向の寸法よりも例えば数倍大きい長尺な形状を成していてもよい。この場合、中央部分４Ａの端部には、鏡面が設けられていなければならない。これらの鏡面は例えばエッチングによって形成することができる。例えば、ＧａＡｓと比べて比較的低いＳｉの振動子強度に関連して、また、前記材料中の荷電粒子の有効質量の差を考慮して、シリコンのレーザは、ＧａＡｓの強さに匹敵する強さを得るために、１ｃｍ程度の長さを有していなければならない。１ｃｍをかなり下回る長さが可能な場合、実現可能性が実質的に高まる。これは、一方の鏡面における反射が例えば０．９９となり、他方の鏡面における反射が０．９７となるように前記鏡面の反射性を高めることにより、達成可能である。そのような高い反射の値は、誘電体層および半導体層の少なくとも一方から成る適当な積層体によって鏡面を覆うことで得ることができる。 In this embodiment, the central portion 4A is symmetrical in the lateral direction. In order to obtain a laser action, the central portion 4A may have a long shape whose longitudinal dimension is several times larger than the width dimension, for example. In this case, a mirror surface must be provided at the end of the central portion 4A. These mirror surfaces can be formed by etching, for example. For example, in relation to the relatively low Si oscillator strength compared to GaAs, and considering the difference in effective mass of charged particles in the material, silicon lasers have a strength comparable to that of GaAs. In order to achieve this, it must have a length of about 1 cm. The feasibility is substantially increased when lengths well below 1 cm are possible. This can be achieved by increasing the reflectivity of the mirror surface so that the reflection on one mirror surface is, for example, 0.99 and the reflection on the other mirror surface is 0.97. Such a high reflection value can be obtained by covering the mirror surface with a suitable laminate comprising at least one of a dielectric layer and a semiconductor layer.

この実施例において、中央部分４Ａには、いわば第２の半導体領域４の中央部分４Ａ内に、大きなバンドギャップを有する小さな局所領域が形成されるような非常に低い濃度を有する、酸素原子のイオン注入が施される。また、これは、放射線の出力の増大に寄与する。シリコン−二酸化珪素から成る局部酸化領域２０および更なる局部酸化領域２１と二酸化珪素から成る絶縁層７は、厚み方向で荷電粒子のためのバリアを形成する。また、これらの領域７，２０，２１は、シリコン半導体本体１との受動界面を構成している。その結果、前記界面における比較的僅かな荷電粒子が非放射態様で再結合する。これは、放射線の出力に好ましい影響を与える。 In this embodiment, the central portion 4A has ions of oxygen atoms having a very low concentration so that a small local region having a large band gap is formed in the central portion 4A of the second semiconductor region 4. An injection is given. This also contributes to an increase in radiation output. The local oxidation region 20 made of silicon-silicon dioxide and the further local oxidation region 21 and the insulating layer 7 made of silicon dioxide form a barrier for charged particles in the thickness direction. These regions 7, 20, and 21 constitute a passive interface with the silicon semiconductor body 1. As a result, relatively few charged particles at the interface recombine in a non-radiative manner. This has a positive effect on the radiation output.

ここで、この実施例の装置１０の製造について説明する。 Here, manufacture of the apparatus 10 of this Example is demonstrated.

図３〜図１２は、本発明に係る方法による一連の製造段階におけるこの実施例の装置１０の厚み方向に対して直角な概略断面図である。二酸化珪素から成る電気絶縁層７がその上に存在するｎ型シリコンから成る半導体基板２から始める（図３参照）。シリコンから成る半導体本体１は、前記電気絶縁層上に配置される。この実施例において、この構造体は、いわゆる“スマートカット”技術によって形成される。その後、熱酸化物から成る薄層と、その上にＣＶＤにより蒸着された窒化ケイ素から成る層と、を連続的に備える更なる絶縁層３０が加えられる。後者は、図３に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングによってパターン化される。 3 to 12 are schematic cross-sectional views perpendicular to the thickness direction of the apparatus 10 of this embodiment in a series of manufacturing steps according to the method of the present invention. An electrical insulating layer 7 made of silicon dioxide starts with a semiconductor substrate 2 made of n-type silicon on which it is present (see FIG. 3). A semiconductor body 1 made of silicon is disposed on the electrical insulating layer. In this embodiment, this structure is formed by the so-called “smart cut” technique. Thereafter, a further insulating layer 30 is added which comprises continuously a thin layer of thermal oxide and a layer of silicon nitride deposited thereon by CVD. The latter is patterned by photolithography and etching as shown in FIG.

次に（図４参照）、形成されたダイオードの両側において、プラズマエッチングにより半導体本体１が絶縁層７の上側で局部的に除去される。その後、装置１０の表面全体にわたって二酸化珪素から成る絶縁層４０がＣＶＤにより加えられる。前記絶縁層は、その後（図５参照）、ＣＭＰ（化学機械研磨）により絶縁層３０の上側で除去され、その結果、装置１０が再び平面となり、絶縁領域２２が形成される。またこの時、半導体本体１の表面は、熱酸化により、二酸化珪素から成る例えば１０ｎｍの厚みの薄い層３１で覆われる。 Next (see FIG. 4), the semiconductor body 1 is locally removed above the insulating layer 7 by plasma etching on both sides of the formed diode. Thereafter, an insulating layer 40 of silicon dioxide is applied over the entire surface of the device 10 by CVD. The insulating layer is then removed (see FIG. 5) above the insulating layer 30 by CMP (Chemical Mechanical Polishing), so that the device 10 becomes flat again and the insulating region 22 is formed. At this time, the surface of the semiconductor body 1 is covered with a thin layer 31 made of silicon dioxide, for example, having a thickness of 10 nm, by thermal oxidation.

次に（図６参照）、窒化ケイ素から成る１５０ｎｍ厚の層６０が、ＣＶＤにより装置１０の表面に設けられる。この層には、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターンが形成され、その後（図７参照）、局部酸化領域２０が行なわれ、これにより、半導体本体１の厚みを犠牲にして絶縁層３１の厚みが増大する。半導体本体１の厚みは、２００ｎｍから約１０ｎｍまで局部的に減少する。ケイ素層６０の除去後、図８に示す装置が得られる。次に、第２の半導体領域から形成される中央部分４Ａにおいて、フォトレジスト８０により酸素注入が行なわれる。 Next (see FIG. 6), a 150 nm thick layer 60 of silicon nitride is provided on the surface of the apparatus 10 by CVD. This layer is patterned by photolithography and etching, followed by local oxidation region 20 (see FIG. 7), thereby increasing the thickness of insulating layer 31 at the expense of semiconductor body 1 thickness. . The thickness of the semiconductor body 1 decreases locally from 200 nm to about 10 nm. After removal of the silicon layer 60, the device shown in FIG. 8 is obtained. Next, oxygen implantation is performed by the photoresist 80 in the central portion 4A formed from the second semiconductor region.

マスキング層８０を除去した後（図９参照）、更なる窒化ケイ素層９０が装置上に設けられてパターン化される。更なる局部酸化２１により、半導体本体１の厚みは、第２の半導体領域から形成される中央部分４Ａの部位で、約２００ｎｍから約１００ｎｍまで減少する。また、このプロセスにおいて、半導体本体１の厚みも、この実施例では、形成される更なる部分の部位で、所望の５ｎｍまで更に減少する。この酸化２１中に、前述した酸素注入により、中央部分４Ａで焼き戻しが行なわれる。ケイ素層９０の除去後、図１０に示す段階が得られる。 After removing the masking layer 80 (see FIG. 9), an additional silicon nitride layer 90 is provided on the device and patterned. Due to further local oxidation 21, the thickness of the semiconductor body 1 is reduced from about 200 nm to about 100 nm at the central portion 4A formed from the second semiconductor region. Also in this process, the thickness of the semiconductor body 1 is further reduced to the desired 5 nm in this embodiment at the site of the further part to be formed. During the oxidation 21, tempering is performed at the central portion 4A by the oxygen implantation described above. After removal of the silicon layer 90, the stage shown in FIG. 10 is obtained.

次に（図１１参照）、フォトレジストマスキング層８１が装置１０上に設けられ、その後にパターン化される。ヒ素の注入Ｉ１により、半導体本体１中に第１の半導体領域３が形成される。マスキング層８１の除去後（図１２参照）、マスキング層８２を使用したボロンイオンのイオン注入Ｉ２により、同様の方法で第３の半導体領域５が形成される。前記マスキング層８２の除去後、両方の注入Ｉ１，Ｉ２が熱処理で焼き戻され、それにより、ドーピング元素であるヒ素およびボロンの原子が電気的に活性化される。 Next (see FIG. 11), a photoresist masking layer 81 is provided on the device 10 and then patterned. A first semiconductor region 3 is formed in the semiconductor body 1 by arsenic implantation I1. After removing the masking layer 81 (see FIG. 12), the third semiconductor region 5 is formed in the same manner by boron ion ion implantation I2 using the masking layer 82. After removal of the masking layer 82, both implants I1, I2 are tempered by heat treatment, thereby electrically activating arsenic and boron atoms as doping elements.

その後（図１参照）、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第１および第３の半導体領域３，５の部位で絶縁層３１に開口が形成され、その後、蒸着されたアルミニウム層がフォトリソグラフィおよびエッチングによりパターン化され、これにより、接続領域６，８が形成される。この時点で、装置１０が使える状態となる。装置１０がトランジスタの回路を構成するシリコンＩＣに集積される場合には、接続領域の形成前に、必要に応じて１または複数の更なる絶縁層を有意に設けることができる。この場合、金属プラグおよび導体トラックで満たされた、いわゆるバイアが形成される。 Thereafter (see FIG. 1), an opening is formed in the insulating layer 31 at the first and third semiconductor regions 3 and 5 by photolithography and etching, and then the deposited aluminum layer is patterned by photolithography and etching. As a result, connection regions 6 and 8 are formed. At this point, the device 10 is ready for use. If the device 10 is integrated into a silicon IC constituting a transistor circuit, one or more additional insulating layers can be significantly provided as needed before the connection region is formed. In this case, so-called vias filled with metal plugs and conductor tracks are formed.

当業者であれば本発明の範囲内で多くの変形や改良をなすことができるため、本発明は前述した実施例に限定されない。例えば、異なる幾何学的構成および異なる寸法を有する装置の少なくとも一方を製造することができる。Ｓｉ基板の代わりに、絶縁体を基板として使用してもよく、局部的な酸化の前に更なる局部的な酸化を有意に行なってもよい。それは、中央部分の厚みは、更なる部分の厚みよりは重要性が低いという事実によるものである。 Since those skilled in the art can make many modifications and improvements within the scope of the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, at least one of the devices having different geometric configurations and different dimensions can be manufactured. Instead of a Si substrate, an insulator may be used as the substrate, and further local oxidation may be performed significantly prior to local oxidation. That is due to the fact that the thickness of the central part is less important than the thickness of the further part.

なお、更なる部分に応力を与えることにより、更なる部分のバンドギャップの望ましい相対的な増大を部分的に実現することができる。引張り応力により、バンドギャップの望ましい増大が得られる。 It should be noted that by applying stress to the further portion, a desirable relative increase in the band gap of the further portion can be partially realized. Tensile stress provides the desired increase in band gap.

最後に、かかる装置は、集積回路の形態を成しているか否かにかかわらず、能動半導体素子および受動半導体素子、すなわちダイオードおよびトランジスタの少なくとも一方、並びにレジスタおよびコンデンサの少なくとも一方の電子部品等を更に備えていてもよい。それらの半導体素子または電子部品は、ダイオードを取り囲む絶縁領域の外側の半導体本体上またはその一部に設けられてもよい。このことは、ダイオードによって放出される放射線のために検出器を組み込んでもよいという特有の利点を有している。したがって、例えば装置の表面上に設けられる放射線導体によって、光通信をＩＣ内で行なうことができる。 Finally, such an apparatus includes an active semiconductor element and a passive semiconductor element, ie, at least one of a diode and a transistor, and an electronic component of at least one of a resistor and a capacitor, regardless of whether they are in the form of an integrated circuit. Furthermore, you may provide. Those semiconductor elements or electronic components may be provided on or part of the semiconductor body outside the insulating region surrounding the diode. This has the particular advantage that a detector may be incorporated for the radiation emitted by the diode. Thus, for example, optical communication can be performed within the IC by means of a radiation conductor provided on the surface of the device.

本発明に係る放射線を放出する半導体装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of a semiconductor device that emits radiation according to the present invention. 図１に示す装置の半導体本体におけるバンドギャップの変化を概略的に示す図。The figure which shows schematically the change of the band gap in the semiconductor main body of the apparatus shown in FIG. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention. 本発明に係る方法による一製造段階における図１の装置の厚み方向に対して直角な概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the apparatus of FIG. 1 in a manufacturing stage according to the method of the present invention.

Explanation of symbols

１半導体本体
２基板
３，４，５半導体領域
６，８接続領域
７絶縁層
１０放射線を放出する半導体装置
２０，２１局部酸化領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor main body 2 Substrate 3, 4, 5 Semiconductor region 6, 8 Connection region 7 Insulating layer 10 Semiconductor device 20, 21 which emits radiation Local oxidation region

Claims

A semiconductor device for emitting radiation, comprising a semiconductor body and a substrate, wherein the semiconductor body containing silicon comprises a lateral semiconductor diode disposed on an insulating layer, the insulating layer being a semiconductor in the lateral direction The diode is separated from the substrate, and the lateral semiconductor diode has a first semiconductor region of a first conductivity type having a first doping concentration and a second doping concentration lower than the first doping concentration. A second semiconductor region of a first conductivity type or a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and a third of a second conductivity type having a third doping concentration higher than the second doping concentration. Each of the first and third semiconductor regions, and a connection region is provided in each of the first and third semiconductor regions. During operation, the first and third semiconductor regions are implanted into the second semiconductor region. Radiation in the second semiconductor region is generated by recombination of charged particles, in a semiconductor device that emits radiation,
The semiconductor device for emitting radiation, wherein the second semiconductor region includes a central portion surrounded by a further portion, and the band gap of the further portion is larger than the band gap of the central portion.

The band gap of the silicon-containing semiconductor material is increased in the further portion, the thickness of the further portion is small so that a quantum effect is generated, and the thickness of the central portion is large so that the quantum effect is not substantially generated. The semiconductor device that emits radiation according to claim 1.

The semiconductor device for emitting radiation according to claim 2, wherein the thickness of the semiconductor body at the portion of the further portion to be formed is reduced by local oxidation of the semiconductor body.

The semiconductor device for emitting radiation according to claim 3, wherein the thickness of the semiconductor body at the central portion to be formed is reduced by further local oxidation.

Emission of radiation according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the thickness of the further part is at most 10 nm and the thickness of the central part is at least twice the thickness of the further part. Semiconductor device.

Radiation according to any of the preceding claims, characterized in that the central part is provided with a partial region whose band gap increases with respect to other regions of the central part by ion implantation of suitable atoms. Device that emits light.

The radiation-emitting semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is made of silicon.

An insulating layer having a silicon-containing semiconductor body is present on the substrate, a lateral semiconductor diode is formed in the semiconductor body, and the semiconductor diode has a first conductivity type first having a first doping concentration. A second semiconductor region of a first conductivity type having a second doping concentration lower than the first doping concentration or a second conductivity type opposite to the first conductivity type; And a third semiconductor region of the second conductivity type having a third doping concentration higher than the first doping concentration, and a connection region is provided in each of the first and third semiconductor regions, A radiation emitting semiconductor device in which radiation is generated in the second semiconductor region by recombination of charged particles injected from the first and third semiconductor regions into the second semiconductor region. In the method,
The second semiconductor region is provided with a central portion surrounded by a further portion, the band gap of the further portion being increased relative to the band gap of the central portion.

The band gap of the further portion is increased by giving the further portion a small thickness where a quantum effect occurs in the thickness direction, and the thickness of the central portion is large enough that the quantum effect does not substantially occur. The method of claim 8, wherein the method is selected to be

The method of claim 9, wherein the thickness of the semiconductor body is reduced by local oxidation of the semiconductor body at a site of the further portion to be formed.

The method according to claim 10, characterized in that the thickness of the semiconductor body is reduced by further local oxidation at the site of the central part to be formed.

The further portion and the first portion of the central portion are formed as a continuous layer, and the second portion disposed on the first portion of the central portion is formed by selective epitaxy. The method according to claim 9.

13. A method according to claim 8, 9, 10, 11 or 12, characterized in that silicon is selected as the material for the substrate.

9. A suitable atom is introduced into the central part by ion implantation, so that the band gap of the central part increases locally with respect to other parts of the central part. The method according to 9, 10, 11, 12 or 13.

15. A method according to claim 14, characterized in that germanium, silicon or oxygen atoms are selected as the atoms implanted in the central part.